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欠平衡钻井技术在保护煤层气储层中的应用

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平衡 钻井 技术 保护 煤层气 中的 应用
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    3 本 文 受 到 中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 重 点 科 技 工 程 项 目 (编 号 :970209)的 资 助 。作 者 简 介 :鲜 保 安 ,1966 年 生 ,高 级 工 程 师 ,博 士 ;2006 年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学 (北 京 )并 获 博 士 学 位 ;长 期 从 事 煤 层 气 钻 井完 井 技 术 研 究 及 现 场 试 验 工 作 。 地 址 : (065007) 河 北 省 廊 坊 市 44 号 信 箱 。 电 话 : (010) 69213107。 衡 钻 井 技 术 在 保 护 煤 层 气 储 层 中 的 应 用 3鲜 保 安 1   蒋 卫 东 2   杨 程 富 3   李 拥 军 3   钟 雨 师 3(1. 中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 廊 坊 分 院   2. 中 国 石 油 大 学 · 北 京   3. 西 南 石 油 大 学 )鲜 保 安 等 . 欠 平 衡 钻 井 技 术 在 保 护 煤 层 气 储 层 中 的 应 用 . 天 然 气 工 业 ,2008 ,28 (3) : 要   煤 层 气 储 层 不 仅 具 有 低 渗 、 低 压 特 点 ,还 具 有 对 各 类 伤 害 的 敏 感 性 ,从 而 决 定 了 在 煤 层 气 钻 完 井 、 开采 过 程 中 要 坚 持 采 取 系 统 的 保 护 煤 层 措 施 。 通 过 直 井 的 油 管 向 另 一 水 平 井 环 空 注 气 实 现 欠 平 衡 的 钻 井 工 艺 在 中 得 到 成 功 应 用 ,实 现 了 及 时 、 平 稳 注 气 ,保 护 了 煤 层 并 维 持 井 壁 稳 定 ,优 化 了 单 井 筒 水 平 井 井 身 结 构 。 为推 广 欠 平 衡 钻 井 技 术 开 发 煤 层 气 指 出 了 方 向 。主 题 词   煤 层 气   储 集 层   钻 井 液   欠 平 衡 钻 井   环 空 注 气   水 平 井   应 用煤 层 中 天 然 气 大 部 分 (70 %~ 95 %) 呈 吸 附 状 态保 存 在 煤 的 基 岩 孔 隙 内 表 面 上 。 煤 层 孔 隙 分 为 基 岩孔 隙 和 裂 缝 孔 隙 ,煤 中 的 裂 缝 称 为 割 理 ,割 理 实 际 就是 煤 层 裂 隙 和 微 裂 隙 。 煤 层 气 储 存 状 态 决 定 了 煤 层气 的 产 出 是 一 个 漫 长 的 过 程 ,煤 层 气 的 吸 附 保 存 方式 和 煤 层 裂 隙 的 特 殊 性 就 决 定 了 煤 层 气 在 钻 完 井 、开 采 过 程 中 首 先 要 解 决 保 护 煤 层 气 储 层 ,以 免 伤 害储 层 ,其 次 要 最 大 限 度 地 扩 大 解 吸 范 围 ,才 能 实 现 经济 开 采 煤 层 气 资 源 。 我 国 煤 储 层 普 遍 存 在 低 压 、 低孔 和 低 渗 的 特 点 ,地 层 压 力 梯 度 0. 8~ 1. 0 100m ,孔 隙 度 为 1 %~ 10 % ,而 且 大 部 分 孔 隙 不 能 相 互连 通 而 成 为 无 效 孔 隙 [1 ] 。 这 些 特 点 也 决 定 了 煤 层 气开 发 工 程 需 要 对 煤 层 进 行 保 护 措 施 。一 、 煤 储 层 伤 害 特 征 分 析1. 正 压 差 对 煤 储 层 的 伤 害宏 观 上 由 于 孔 隙 度 、 渗 透 率 随 着 地 层 压 力 的 增加 而 降 低 ,同 时 煤 层 裂 缝 和 割 理 在 高 围 压 下 闭 合 ,并且 是 不 可 恢 复 的 。 试 验 表 明 ,煤 经 过 多 次 加 压 — — —卸 压 周 期 性 的 试 验 ,测 定 不 同 压 力 下 的 渗 透 率 ,加 压使 渗 透 率 降 低 ,但 卸 压 时 渗 透 率 只 能 得 到 一 定 程 度的 部 分 恢 复 。 在 过 平 衡 钻 井 中 ,钻 井 液 液 柱 压 力 大于 煤 层 压 力 ,使 作 用 在 井 筒 附 近 的 纯 应 力 增 加 ,从 而引 起 渗 透 率 降 低 ,完 井 后 渗 透 率 也 不 可 能 完 全 恢 复 。在 正 压 差 作 用 下 ,钻 井 液 中 的 胶 体 颗 粒 和 其 他 细 微颗 粒 被 吸 附 堵 塞 在 煤 层 气 的 孔 隙 喉 道 上 ,钻 井 液 滤液 的 侵 入 又 有 可 能 发 生 各 类 敏 感 性 反 应 ,从 而 生 成各 类 不 溶 性 沉 淀 物 。2. 钻 完 井 流 体 中 固 相 成 分 对 煤 层 的 伤 害一 方 面 煤 层 极 易 污 染 ,特 别 是 受 钻 井 、 完 井 液 和固 井 水 泥 浆 中 固 相 颗 粒 的 污 染 ;另 一 方 面 煤 层 破 碎和 高 剪 切 应 力 造 成 井 眼 不 稳 定 。 为 了 保 证 安 全 穿 过煤 层 ,其 主 要 措 施 是 提 高 钻 井 液 、 完 井 液 的 密 度 ,也就 是 增 加 其 固 相 含 量 ,但 这 样 又 容 易 污 染 煤 层 ,因 而实 施 煤 层 保 护 较 油 气 层 更 困 难 。 钻 井 液 中 所 含 固 相颗 粒 分 为 粗 粒 (大 于 2000μ m) 、 中 粗 粒 (250~ 2000μ m) 、 细 粒 (44~ 250μ m) 、 微 粒 (2~ 44μ m)和 胶 体 颗粒 (小 于 2μ m) 。 钻 井 液 中 不 同 粒 径 的 固 体 颗 粒 ,特别 是 其 中 的 微 粒 和 胶 体 颗 粒 会 沿 着 煤 层 的 割 理 和 孔隙 侵 入 煤 层 ,对 煤 层 气 的 运 移 通 道 产 生 填 充 和 堵 塞 。在 低 压 煤 层 中 ,这 种 固 相 颗 粒 的 侵 入 半 径 大 大 增 加并 “ 镶 嵌 ” 在 孔 隙 之 中 而 无 法 清 除 ,从 而 造 成 永 久 性的 伤 害 。 煤 层 固 井 后 ,煤 层 实 际 受 到 双 重 的 伤 害 ,即高 压 差 和 固 相 成 分 对 煤 层 的 伤 害 。 另 外 流 体 在 煤 层中 的 长 期 浸 泡 也 会 导 致 煤 储 层 伤 害 半 径 增 大 。二 、 煤 层 气 储 层 应 力 敏 感 性 及 其 影 响1. 煤 层 地 应 力 与 渗 透 率 的 敏 感 性通 过 实 验 测 定 在 压 力 变 化 过 程 中 煤 层 渗 透 率 的变 化 过 程 ,并 应 用 达 西 定 律 可 计 算 煤 样 在 不 同 有 效·95·第 28 卷 第 3 期                                 天   然   气   工   业                             钻 井 工 程压 力 下 的 渗 透 率 。 为 了 更 为 直 观 地 描 述 岩 心 应 力 敏感 性 对 气 体 渗 透 率 的 影 响 ,定 义 无 因 次 渗 透 率 为 气体 渗 透 率 与 岩 心 初 始 渗 透 率 的 比 值 ,这 样 可 以 得 到无 因 次 渗 透 率 与 有 效 压 力 以 及 围 压 的 关 系 。从 图 1 和 图 2 可 以 看 出 ,无 因 次 渗 透 率 随 着 围压 以 及 有 效 压 力 的 增 加 而 降 低 ,并 且 随 着 有 效 压 力的 增 加 ,渗 透 率 的 降 低 幅 度 是 逐 渐 减 弱 的 ,当 有 效 应力 增 加 到 一 定 程 度 以 后 ,渗 透 率 基 本 上 就 不 再 减 小 ,两 者 的 曲 线 趋 于 平 缓 。 另 外 还 可 以 明 显 地 看 出 ,煤层 气 藏 的 应 力 敏 感 性 具 有 明 显 的 不 可 逆 性 ,即 当 增加 围 压 以 后 ,岩 心 的 渗 透 率 降 低 ,随 后 减 少 围 压 ,此时 渗 透 率 并 不 能 恢 复 到 原 来 的 水 平 ,而 且 降 低 幅 度很 大 ,比 如 图 1 煤 岩 卸 压 后 的 渗 透 率 仅 为 原 始 值 的32 %。 出 现 这 种 现 象 的 原 因 是 由 于 裂 隙 闭 合 后 在 卸压 过 程 中 不 易 恢 复 张 开 。图 1   煤 心 无 因 次 渗 透 率 与 围 压 的 关 系 图图 2   煤 心 无 因 次 渗 透 率 与 有 效 压 力 的 关 系 图2. 煤 层 应 力 敏 感 性 对 产 能 的 影 响图 3 表 示 K = 0. 6 × 10 - 3μ ,考 虑 与 不 考 虑压 敏 效 应 对 产 能 影 响 的 对 比 图 。 由 图 3 中 可 以 明 显看 出 在 相 同 的 生 产 压 差 下 ,如 果 考 虑 压 敏 效 应 的 影响 ,产 气 量 明 显 减 少 。 在 考 虑 压 敏 效 应 的 情 况 下 ,随着 生 产 压 差 的 增 大 ,气 井 的 产 气 量 逐 渐 增 加 ,但 渗 透率 变 异 系 数 的 值 越 大 ,产 量 的 递 增 幅 度 越 小 ,也 说 明煤 岩 变 形 对 产 气 量 产 生 了 重 要 影 响 。 由 此 也 可 以 推断 储 层 的 压 敏 效 应 越 显 著 ,气 体 的 产 量 也 越 小 ,不 利于 气 体 的 产 出 。 图 4 表 示 渗 透 率 分 别 为 0. 3 × 10 - 3μ 0. 6 × 10 - 3μ 0. 9 × 10 - 3μ 理 想 无 伤 害的 井 和 压 敏 效 应 伤 害 井 的 产 量 之 比 与 井 底 流 压 的 关系 曲 线 。 从 图 中 可 以 看 出 ,对 于 相 同 渗 透 率 的 储 层来 说 ,井 底 流 压 越 低 ,压 力 衰 竭 程 度 越 高 ,生 产 压 差大 ,相 应 的 压 敏 效 应 越 严 重 ,产 量 下 降 程 度 越 高 。 由图 中 也 可 以 看 出 压 敏 效 应 对 产 量 还 是 有 很 大 影 响的 。 通 过 对 比 渗 透 率 分 别 为 0. 3 × 10 - 3μ 0. 6 ×10 - 3μ 0. 9 × 10 - 3μ 模 拟 计 算 结 果 ,可 知 储 集层 原 始 渗 透 性 越 差 ,由 压 力 下 降 引 起 的 渗 透 率 下 降程 度 就 越 严 重 ,表 现 出 压 敏 效 应 对 产 量 的 影 响 越 大 。图 3   应 力 敏 感 性 对 产 能 的 影 响 图图 4   不 同 渗 透 率 时 的 产 量 与 井 底 流 压 曲 线 图三 、 欠 平 衡 钻 井 技 术 在 煤 层 气分 支 水 平 井 中 的 应 用国 内 水 平 井 欠 平 衡 钻 井 技 术 刚 起 步 ,尚 处 在 完善 发 展 阶 段 ,其 技 术 关 键 在 于 钻 井 模 型 分 析 、 更 有 效的 钻 井 液 、 井 底 导 向 系 统 与 马 达 、 有 利 于 新 钻 井 液 的井 控 与 地 面 分 离 系 统 及 其 集 成 化 [2 ] 。 分 支 水 平 井 是集 钻 完 井 与 增 产 措 施 于 一 体 的 集 成 技 术 ,能 大 幅 提高 低 渗 透 储 层 煤 层 气 产 量 和 采 出 程 度 [325 ] 。 是 沁 水 煤 层 气 田 的 一 口 分 支 水 平 井 ,也 是 国 内 第 一 次 应 用 油 管 注 气 实 现 欠 平 衡 钻 井 的 煤层 气 分 支 水 平 井 ,实 现 了 平 稳 注 气 ,安 全 钻 井 完 成 了设 计 的 全 部 进 尺 。 在 钻 煤 层 气 水 平 井 之 前 ,先 钻 完洞 穴 直 井 ,在 煤 层 以 下 预 填 压 裂 砂 并 下 油 管 ,然 后 钻分 支 水 平 井 。 在 钻 分 支 水 平 井 时 ,在 洞 穴 直 井 利 用地 面 压 风 机 通 过 油 管 向 水 平 井 注 空 气 实 现 分 支 水 平井 的 欠 平 衡 钻 井 。 正 式 开 始 注 气 时 ,注 气 量 为 30. 3 开 增 压 机 后 ,压 力 从 2. 2 速 升 至 5. 2 开 始 下 降 ,8 压 力 降 至 4. 1 ,水平 井 井 口 开 始 出 气 ,这 时 开 始 钻 进 作 业 ,10 压力 降 至 3. 5 12 压 力 降 至 3. 2 力 开 始 回 升 ,并 于 15 稳 定 在 3. 4~ 3. 5 注 入 压 力 非 常 稳 定 ,水 平 井 出 气 也 非 常 稳 定 连 续 。(下 转 第 77 页 )·06·钻 井 工 程                             天   然   气   工   业                                   2008 年 3 月的 标 准 方 差 为 1. 53 挤 毁 压 力 依 据 均 值 减 去 3倍 的 方 差 给 出 试 验 挤 毁 压 力 为 58. 2 试 验 结 果提 供 了 99. 81 %的 成 功 机 会 ,即 性 能 满 足 或 超 过 了 这个 挤 压 载 荷 。 同 样 方 法 ,每 根 母 管 的 承 载 力 范 围 为57. 1~ 61. 8 平 均 值 为 59. 7 在 单 根 母 管内 的 挤 毁 压 力 变 化 是 明 显 的 ,从 1. 37~ 4. 12 是 整 体 试 验 的 23 %~ 70 %。 目 标 性 能 设 计 承 载 力53. 3 试 验 承 载 力 58. 2 间 的 差 是10 % ,而 其 抗 挤 性 能 超 过 A 定 值 20 %。 另 外 通过 耐 腐 蚀 试 验 、 螺 纹 密 封 和 结 构 完 整 性 试 验 ,成 功 地用 于 尾 管 和 油 层 套 管 的 设 计 ,降 低 了 成 本 ,单 井 大 约节 约 了 15 万 美 元 。四 、 结 论 与 建 议国 内 套 管 主 要 生 产 厂 的 套 管 强 度 性 能 已 趋 于 稳定 ,高 于 A 定 值 的 强 度 余 量 。 管 柱 设 计 时 根 据具 体 情 况 要 求 ,可 选 择 低 壁 厚 或 低 钢 级 套 管 ,合 理 发挥 套 管 强 度 余 量 。 采 用 套 管 强 度 余 量 设 计 管 柱 时 ,应 对 该 批 套 管 进 行 全 面 的 实 物 试 验 评 价 。参   考   文   献[1 ] 武 清 玺 . 结 构 可 靠 性 及 随 机 有 限 元 法 [ M ]. 北 京 :机 械 工业 出 版 社 ,2005.[2 ] M F , J J . A J ]. 1986 (4) :22226.[3 ] 聂 荣 国 ,石 晓 兵 ,刘 鹏 ,等 . 偏 轴 钻 具 组 合 防 斜 打 快 的 强 度分 析 [J ]. 西 南 石 油 大 学 学 报 ,2007 ,29 (1) :82284.[4 ] 曾 明 友 ,石 晓 兵 ,魏 民 洁 ,等 . 屏 蔽 式 暂 堵 技 术 在 狮 子 沟 油田 的 应 用 [J ]. 西 南 石 油 学 院 学 报 ,2006 ,28 (4) :67270.(收 稿 日 期   2007212219   编 辑   钟 水 清 )(上 接 第 60 页 )四 、 结 论 与 建 议(1)煤 储 层 不 仅 具 有 低 渗 、 低 压 特 点 ,还 具 有 易伤 害 性 ,在 煤 层 气 钻 完 井 、 开 采 过 程 中 要 坚 持 采 取 系统 的 保 护 煤 层 措 施 ,保 护 煤 层 的 措 施 要 贯 穿 于 煤 层气 井 的 钻 井 、 固 井 、 完 井 、 压 裂 增 产 和 抽 采 的 每 一 个环 节 ,否 则 可 能 导 致 前 功 尽 弃 。(2)煤 层 具 有 较 强 的 应 力 敏 感 性 ,煤 层 围 压 和 有效 压 力 的 增 大 都 会 导 致 渗 透 率 的 极 大 降 低 ,渗 透 率伤 害 又 具 有 不 可 恢 复 性 ,最 终 对 煤 层 气 产 能 也 有 较大 的 影 响 ,认 识 煤 层 的 应 力 敏 感 性 有 助 于 制 定 合 理的 煤 层 气 采 气 方 案 。(3)通 过 直 井 的 油 管 向 另 一 水 平 井 环 空 注 气 实现 欠 平 衡 钻 井 工 艺 是 可 行 的 ,能 够 实 现 及 时 、 平 稳 注气 ,有 效 地 减 小 了 井 底 压 力 波 动 ,有 力 地 保 护 了 煤 层并 维 持 了 井 壁 稳 定 。 与 常 规 的 直 井 套 管 注 气 工 艺 相比 ,油 管 注 气 压 力 、 排 量 更 稳 定 ,气 体 到 达 井 底 的 时间 更 快 ,欠 平 衡 效 果 更 好 。(4)煤 层 气 水 平 井 的 双 井 筒 结 构 尽 管 有 诸 多 的优 势 ,但 在 开 发 阶 段 也 面 临 着 布 井 困 难 ,应 加 强 单 井筒 水 平 井 井 身 结 构 研 究 ,并 在 煤 层 气 开 发 井 中 继 续推 广 欠 平 衡 水 平 井 钻 井 技 术 ,还 应 研 究 更 为 经 济 有效 的 欠 平 衡 钻 井 方 式 。参   考   文   献[1 ] 鲜 保 安 ,高 德 利 ,陈 彩 红 ,等 . 煤 层 气 高 效 开 发 技 术 [J ]. 特种 油 气 藏 ,2004 ,11 (4) :63266.[2 ] 郭 志 勤 ,韩 振 元 . 国 内 外 钻 井 与 采 油 工 程 新 技 术 [ M ]. 北京 :中 国 石 化 出 版 社 ,2002.[3 ] 鲜 保 安 ,高 德 利 ,李 安 启 ,等 . 煤 层 气 定 向 羽 状 水 平 井 开 采机 理 与 应 用 分 析 [J ] 气 工 业 ,2005 ,25 (1) :1142116.[4 ] 聂 荣 国 ,石 晓 兵 ,刘 鹏 ,等 . 偏 轴 钻 具 组 合 防 斜 打 快 的 强 度分 析 [J ]. 西 南 石 油 大 学 学 报 ,2007 ,29 (1) :82284.[5 ] 曾 明 友 ,石 晓 兵 ,魏 民 洁 ,等 . 屏 蔽 式 暂 堵 技 术 在 狮 子 沟 油田 的 应 用 [J ]. 西 南 石 油 学 院 学 报 ,2006 ,28 (4) :67270.(收 稿 日 期   2008201203   编 辑   钟 水 清 )·77·第 28 卷 第 3 期                                 天   然   气   工   业                             钻 井 工 程 1 , d. , P. R. + 8622828407 8880         e/ N J 1 2 N 3 4 . N A . I N D M E 28 , 3 , 56258 , 3/ 25/ 2008. ( 00020976 ; on of , of to to BM’s It to as in of of in of It by is of to BM is BM , 965 , in He is in on 4 , 65007 ,P. R. + 8621026921 3541     F O J L I 1 2 3 . N A . I N D . M E 28 , 3 , 59260 , 3/ 25/2008. ( 00020976 ; is by by be in of of of to is in P 121 in to A on a a to BM , 966 , a D in on 4 , 65007 ,P. R. + 8621026921 3107     A L I N R Y , M E 28 , 3 ,2008                 5 ,2008  
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